导电炭黑材料在聚氯乙烯管材生产中的应用

李银鸿

摘  要：该文探讨国产导电炭黑在煤矿井下用聚氯乙烯管材生产工艺中的关键实验步骤和参数。实验分为试片试验和生产试验2部分。试片试验使用X（S）K-400型开炼机、YXE-100T型平板硫化机和ZC-90高绝缘电阻测量仪进行，以评估导电炭黑对管材导电性的影响。实验结果表明导电炭黑符合标准要求。生产试验则使用高速搅拌机、冷却搅拌机、双螺杆挤出机和电阻测量仪，确保管材的导电性、物理性能和稳定性。实验还涵盖所使用的聚氯乙烯树脂和其他实验相关助剂，如抗冲改性剂、加工助剂、稳定剂、润滑剂和填充剂，它们对管材性能的调整至关重要。

关键词：国产导电炭黑；聚氯乙烯管材；生产工艺；电阻特性；抗冲改性剂

中图分类号：X705      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）19-0056-04

Abstract： This paper discusses the key experimental steps and parameters of domestic conductive carbon black in the production process of PVC pipe used in coal mine. The experiment is divided into two parts： test piece test and production test. The test piece test was carried out using X（S） K-400 mill， YXE-100T plate vulcanizer and ZC-90 high insulation resistance meter to evaluate the effect of conductive carbon black on the electrical conductivity of the pipe. The experimental results show that the conductive carbon black meets the requirements of the standard. In the production test， high-speed mixer， cooling mixer， twin-screw extruder and resistance measuring instrument are used to ensure the conductivity， physical properties and stability of the pipe. The experiment also covers the use of PVC resin and other experimental-related auxiliaries， such as impact modifiers， processing aids， stabilizers， lubricants and fillers， which are very important for the adjustment of pipe properties.

Keywords： domestic conductive carbon black; PVC pipe; production process; resistance characteristics; impact modifier

近年来，煤矿井下环境的工程化改造和现代化需求不断增长，使得煤矿井下用管材的生产和性能要求更加严格。聚氯乙烯管材因其出色的机械性能、耐化学腐蚀性和低维护成本而在这一领域中广泛应用[1]。导电炭黑作为一种常见的导电填料，被广泛应用于聚氯乙烯管材制备中，以提高其导电性能。

1  试片试验

1.1  主要实验设备

1）X（S）K-400型开炼机。

2）YXE-100T型平板硫化机。

3）ZC-90高绝缘电阻测量仪。

1.2  主要实验材料

导电炭黑具有较高的比表面积和结构度，是良好的导电填料，与其他炭黑相比较具有良好的应用性能（表1），因此此次研究选择将导电炭黑作为PVC导电填料。

此次研究中用到的实验材料主要包括聚氯乙烯树脂（SG-5）、导电炭黑、相关助剂等（表2），实验相关助剂在聚氯乙烯管材的制备过程中扮演着关键的角色，以调整材料的性能，确保管材的质量和可用性，同时满足特定行业标准和应用要求。这些材料和助剂的合理选择和使用对于生产高质量的管材至关重要[2]。

1.3  实验参数

1）开炼机辊筒温度为140 ℃。开炼机是混炼和开炼原材料的关键设备。在这个实验中，设置的开炼机辊筒温度为140 ℃。这一温度设置的目的是控制原材料在混炼过程中的温度，确保原材料在适当的温度下均匀混合。具体作用包括：①塑化材料，温度升高有助于聚氯乙烯树脂（SG-5）软化，变得更容易混合。②高温下混合性能更好，助剂可以均匀分散到聚氯乙烯树脂中。

2）翻炼时长为6～8 min。确保原材料充分混合和加工的关键阶段。翻炼时长的作用包括：①混合均匀，足够的翻炼时间可以确保导电炭黑（BL-528）充分分散在聚氯乙烯树脂中，从而提高导电性。②消除杂质，翻炼可以帮助消除可能存在的不纯物质或杂质，确保原材料的纯净性。

3）硫化机硫化温度为上平板135 ℃，下平板135 ℃。硫化机用于硫化聚氯乙烯管材，以赋予其所需的物理性质和电阻特性。在此实验中，上下平板的硫化温度均为135 ℃。硫化温度的作用包括：①交联聚合，硫化温度有助于聚氯乙烯树脂中的交联聚合反应，使管材更坚固和耐用。②电阻特性，硫化温度影响管材的电阻特性，确保管材具有所需的导电性。

4）硫化时长为10 min。硫化时长是管材半成品材料在硫化机中暴露在高温下的时间。在这个实验中，硫化时长为10 min。硫化时长的作用包括：①交联反应完成，确保管材材料中的聚合反应充分完成，从而增强物理性能。②稳定性，硫化时长也可以影响管材的稳定性，确保其在使用中不易分解或老化。

5）试片厚度为10 mm。

6）试片冷却时长为恒温水浴冷却20 min。

1.4  检测结果

1）试片上表面电阻4×104 Ω，下表面电阻3×104 Ω。这些数据表示在试验中制备的聚氯乙烯管材试片的电阻值。电阻值是一个重要的指标，特别是在需要导电性的应用中，如煤矿井下用聚氯乙烯管材。试片上表面电阻值为4×104 Ω，下表面电阻值为3×104 Ω。这些数值表明试片在导电性方面具有良好的性能。较低的电阻值表明试片可以有效地导电，适用于煤矿井下环境中，其中导电性对安全和通信等方面至关重要。

2）试验表明所使用的国产BL-528型导电炭黑在电阻性能方面达到了MT/T 558.2—2005《煤矿井下用塑料管材 第2部分 聚氯乙烯管材》标准的要求。这一标准可能包括对导电性能的具体要求，以确保管材在特定应用中的可靠性和安全性。通过这一结论，试验成功证明了国产导电炭黑的可行性，并为煤矿井下用聚氯乙烯管材的生产提供了更多选择。

2  生产试验

2.1  主要试验设备

2.1.1  Y2-2808-4高速搅拌机

这台高速搅拌机是用于混合聚氯乙烯树脂（SG-5）和其他实验材料的设备。它采用高效的搅拌技术，确保原材料充分混合均匀，以获得一致的材料性能[3]。

搅拌机的型号为Y2-2808-4，表明它具有高速搅拌能力，可以快速将各种成分混合在一起。

这台设备在聚氯乙烯管材生产中起着至关重要的作用，因为原材料的混合质量直接影响最终产品的性能和质量。

2.1.2  Y2-160L-6冷却搅拌机

冷却搅拌机通常用于冷却高速搅拌机搅拌完成的混合物料，防止物料内部高温，改变物料性能。

2.1.3  65/132型双螺杆挤出机

双螺杆挤出机是管材生产的关键设备之一。65/132型双螺杆挤出机是指其螺杆的尺寸和比例。

挤出机负责将混合好的材料按照既定硫化参数通过配套模具进行挤出操作。它可以通过调整挤出机料筒、模具温度、螺杆温度、挤出速率、熔体压力和挤出电流等方式来控制管材的性能，如导电性和物理性能。

2.1.4  ZC-90高绝缘电阻测量仪

这款高绝缘电阻测量仪用于测量聚氯乙烯管材的电阻特性。它确保管材具有所需的导电性能，以满足特定标准和应用需求。

此仪器的型号为ZC-90，它可以精确测量管材的电阻，并提供重要的质量控制数据。

这些主要试验设备在聚氯乙烯管材的生产过程中扮演着关键角色，确保最终产品的性能和质量符合标准和应用要求。其精确操作和细致控制对于生产高质量煤矿井下用聚氯乙烯管材至关重要。

2.2  主要实验材料

1）聚氯乙烯树脂（SG-5）。

2）BL-528型导电炭黑。

3）其他实验相关助剂。

抗冲改性剂：抗冲改性剂是一类用于提高管材抗冲击性能的助剂。在煤矿井下使用的管材需要具备卓越的抗冲击性能，以应对可能的机械冲击和振动。这些抗冲改性剂通过增加管材的韧性和耐冲击性，提高其在极端条件下的耐用性。这对确保管材在煤矿环境中的长期使用至关重要。

加工助剂：加工助剂用于改善管材的加工性能。它们可以减少聚合物的黏性，增加其流动性，从而确保管材在挤出和成型过程中易于加工。这对于生产高质量管材来说至关重要，因为它们需要具备特定的外形和尺寸。

稳定剂：稳定剂是用于防止聚氯乙烯树脂在高温或紫外线下分解的助剂。它们有助于提高管材的稳定性，延长其使用寿命。在煤矿井下使用的管材需要具备出色的耐久性，这些稳定剂可以确保其在极端条件下保持稳定性。

润滑剂：润滑剂用于降低物料与料筒、模具接触面的摩擦，防止管材表面的粘附和粘连。这有助于确保管材的平滑性和可加工性。润滑剂在挤出和成型过程中的应用可以减少材料之间的摩擦，提高生产效率。

填充剂：填充剂通常是粉状或颗粒状材料，用于增加管材的强度、刚度和耐磨性。它们还可以改善管材的导电性和阻燃性能。填充剂对于确保管材在煤矿井下环境中长期使用具有足够的耐久性至关重要。

这些实验相关助剂的精确选择和比例调整对于确保管材满足特定标准和应用要求非常关键。它们在管材生产过程中的综合使用可以确保最终产品具有所需的导电性、机械性能、耐磨性和稳定性，以满足煤矿井下用管材市场的需求。这些辅助助剂的细致控制和使用是确保管材质量和性能的重要因素。

2.3  生产试验步骤

1）制定生产内外层、中间层配方。

管材结构如图1所示，生产内外层、中间层具体配方内容见表3。

2）按照既定工艺完成配料步骤，其中投料顺序和配料温度需严格按照生产工艺执行，温度控制为高搅大于95 ℃，放入冷却搅拌机，低于40 ℃放出备用。

3）调整设置双螺杆挤出机生产温度。

内外层、芯层挤出机生产工艺参数的确定是本次实验的最终目的。

4）挤出完成后试样在恒温室中放置24 h，消除应力后，进行拉伸性能测试。

3  实验结果

3.1  挤出温度

硬聚氯乙烯的加工温度与分解温度颇为接近，因此应严格控制各点的料温，同时注意测温仪表的误差及测温点的位置。具体各点的温度则根据挤出成型机的特性、螺杆、转速、机头结构及物料配方等具体情况而定，不能强求一致。经试验证明，挤出过程中，塑料从加料段至机头各点温度逐步升高，最高温度应控制在160～175 ℃。

3.2  螺杆转速

挤出机螺杆转速取决于挤出机螺杆的大小，又取决于产品的规格，还与物料的塑化加工性有关。必须根据产品的外观、物理力学性能、生产效率以及经济因素综合考虑，适当提高螺杆转速可以缩短物料在挤出机中停留时间，增加剪切摩擦热，使挤出产量和塑化质量均处于较高水平。螺杆转速太高，会使管内壁毛糙，经生产检验双螺杆挤出机的螺杆转速为20～30 r/min。

3.3  机头压力

机头压力的大小会影响制品的质量、出料的稳定及产量等。影响机头压力的因素较多，例如机头压力正比于熔体黏度，口模平直部分和螺杆计量段的长度、机头压缩比及挤出量等；而反比于模口间隙、螺槽深度、螺纹升角正切值等。故必须综合考虑，合理选择。就开车时挤出过程的压力变化来看，以熔体进入口模时的压力最高。螺杆头部和多孔板之间压力如果过高则会损坏多孔板或机筒连接的螺栓，因此在操作过程中应加以防止。经试验证明，机头压力在1.0～10.0 MPa之间，生产运行正常，管材塑化良好，导电指标优良且稳定。

3.4  熔料在口模内的剪切速率

熔料在口模内的剪切速率应控制在100 s-1以下，超过极限值时就会导致熔体破裂，以致管材表面粗糙。在口模平直部分的剪切速率正比于挤出量，反比于口模间隙的三次方。

3.5  螺杆冷却

由于硬质聚氯乙烯的熔体黏度高，有摩擦产生的热量较大，易引起螺杆黏料分解或管材内部粗糙，故采用螺杆通水冷却，以减少聚氯乙烯熔体与螺杆表面的摩擦热，从而使管材内部光滑。螺杆通水冷却后，会减少挤出量和影响塑化，不利于制品质量，甚至料流堵塞。因此必须严格控制冷却水温度，一般出水温度应在70 ℃左右。

经过实验数据分析，最终确定挤出机挤出频率：芯层挤出机频率在50～60 Hz，内外层挤出机频率在4～6 Hz，料筒温度一至四区为110、120、125、130°C，熔体压力在3～10 MPa，主机转速为7～11 r/min时，可生产出符合MT/T 558.2—2005标准的煤矿井下用聚氯乙烯管材。这些参数的设置经过仔细调查和分析，以确保管材的导电性、物理性能和稳定性满足特定标准和应用要求。这一结论为管材的实际生产提供了明确的指导，强调了国内生产能力的提高和自主创新的重要性。

3.6  拉伸性能测试结果

拉伸性能测试结果显示，样品管材的轴向拉伸比和径向拉伸比在1.8～1.9之间，均符合设计。

4  结论

本研究通过试片试验和生产试验，深入探索了国产导电炭黑在煤矿井下用聚氯乙烯管材生产中的关键作用，特别关注了导电性能。在试片试验中，使用了X（S）K-400型开炼机、YXE-100T型平板硫化机和ZC-90高绝缘电阻测量仪，验证了导电炭黑的电阻性能达到标准要求，为管材导电性提供了坚实的基础。同时，生产试验阶段的主要设备包括高速搅拌机、冷却搅拌机、双螺杆挤出机和电阻测量仪，其协同作用确保了管材的导电性、物理性能和稳定性满足特定标准和应用需求。通过对聚氯乙烯树脂、导电炭黑和多种助剂的精确选择和比例控制，实现了管材的高质量生产，管材产品具备出色的导电性、机械性能和稳定性。

参考文献：

[1] 高海阳，白虎雄，张杰.聚乙烯管在氯碱生产中的应用[J].氯碱工业，2021，57（11）：40-42.

[2] 苏朝化，裴海燕，周宏伟.再生聚氯乙烯/聚偏氯乙烯在绝缘电工套管中的应用[J].塑料科技，2019，47（11）：69-73.

[3] 李连鹏，林柏吉，马野，等.模试评价在聚乙烯管材生产中的应用[J].弹性体，2020，30（2）：61-64.